使用SPMC75F2413A设计的通用变频器

1 引言
    变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备。它是为了解决传统的交流电机调速困难、传统的交变速设备不但结构复杂且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的。由于其使交流电机的调速范围和调速性能均大为提升，因此交流电机逐渐代替直流电机出现在各种应用领域，即便是以往只可能是直流电机出现的伺服控制领域。随着电力半导体长足发展，变频器也随之不断进步。如今变频器已深入我们的日常生活，随处可见其为我们服务的身影。
    本文所设计的变频器具备以下标准变频器的所有功能。是SPMC75F2413A的一种基本应用。本文的目的主要是给读者一个用SPMC75F2413A实现变频驱动的例子，让读者对SPMC75F2413A有更深的了解。本文所设计的系统具备以下功能包括：机驱动、异常事件处理、运行参数的设置、信息状态管理、通信链路接口、人机交互接口等几部分。
 
2 芯片特性简介
    本系统是基于智能功率模组芯片和SPMC75F2413A实现的通用变频器方案，下面介绍SPMC75F2413A的特性。
    SPMC75F2413A 是μ’nSP系列产品的一个新成员，是凌阳科技新推出的一个16位结构的微控制器。与其它μ’nSP产品不同的是，SPMC75F2413A主要应用在工控或是家电的变频驱动领域。由于其拥有出色性能定时器PWM信号发生器组。因此，SPMC75F2413A可以方便的实现各种电机驱动方案。
    SPMC75F2413A在4.5V～5.5V工作电压范围内的工作速度范围为0～24MHz，拥有2K字SRAM和32K字闪存ROM；64个可编程的多功能I/O端口；5个通用16位定时器/计数器，且每个定时器均有PWM发生的事件捕获功能；2个专用于定时可编程周期定时器；可编程看门狗；低电压复位/监测功能；8通道10位模-数转换。SPMC75F2413A在电机控制领域有相当优秀的表现。
特性包括：
◆ 凌阳16位μ’nSP处理器(ISA 1.2)
◆ 工作电压：
     内核：4.5V～5.5V
◆ 最高运行速度：24MHz
◆ 工作温度： -40 ℃～85 ℃
◆ 芯片内存储器：
      32KW (32K×16) Flash
      2KW (2K×16) SRAM
◆ 基于时钟发生模块的锁相环电路
◆ 看门狗定时器
◆ 10位模/数转换器
     8通道输入
     10us (100kHz)转换时间
◆ 串行通讯接口
     通用异步串行通讯接口(UART)
     标准外围接口(SPI)
◆ 总计64个通用输入输出管脚
◆ 电源管理
     2种低功耗模式：Wait/Standby
     每个外设都可以独立的供电
◆ 两个比较匹配定时器
◆ 5个16位通用定时器
◆ 2个用于脉宽调制，2个用于速度捕获，1个用于速度反馈环。
◆ MCP定时器3支持 TIO3A～TIO3F, MCP定时器4支持 TIO4A～TIO4F
◆ 脉宽调制定时器支持递增/递减计数
◆ PDC定时器0/1均支持3通道的TIO0A～TIO0C输入捕获
◆ TPM定时器2支持捕获/脉宽调制
◆ 12个16位脉宽调制输出
◆ 2通道的电机驱动脉宽调制输出(互补的3相6路脉宽调制输出)
◆ TIO3A～TIO3F利用 MCP 定时器3工作, TIO4A～TIO4F利用MCP定时器4工作
◆ 中心(center)或边沿(edge)脉宽调制输出
◆ 通过外部错误保护管脚进行脉宽调制输出保护
◆ 可编程的死区控制(Dead time control)
◆ 脉宽调制服务和错误中断发生
◆ 具备驱动交流感应电机和直流无刷电机的能力
◆ 内嵌在线仿真功能

3 系统总体方案介绍
    本通用变频器系统主要由凌阳十六位单片机SPMC75F2413A、三凌的IPM功率模组芯片PS21865A组成，系统框图如图 3-1。

图 3-1系统框图

这个系统的功能：
系统运行参数可调化，以适应不同应用的需要；
拥有实时的信息和状态显示，主要用于当前系统的状态信息显示和人机接口的一部分；
带有系统参数设置和控制用的键盘；
拥有8个数字控制端口，以方便用户的远程操控，端口的具体功能可通过设置来更改；
具备模拟控制接口；
完备的系统保护功能，在系统异常时保护系统不受损坏；
系统工作流程：
    主控MCU接收根据设置来自键盘和数字或是模拟接口的控制信息合成驱动电机驱动所用的驱动信号，信号经IPM功率变换后驱动电机。同时主控MCU会随时监视系统的运行，一旦出现异常便会立即保护，同时报警，以提醒用户进行处理。
 
4 系统硬件设计
    系统驱动部分的电路原理图如图 4-1。其中PS21865A内部是一个三相的功率桥相应驱动电路，用于实现SPWM信号到驱动电机的功率变换功能。SPMC75F2413A 单片机的主要作用：
1. 产生驱动电机所需的SPWM信号。
2. 完成人机交互，方便用户对系统的控制。
3. 处理相关的异常信息，确保系统的安全可靠。
    SPMC75F2413A产生的三相互补的PWM信号经由芯片的IOB0～5输出，控制PS21865A的三相全桥电路，信号经功率合成放大后从OUT_U、OUT_V、OUT_W三个端子输出并控制电机。同时，U相和W相的信号还会通过电流互感器，为系统控制提供电流传感信号。SPMC75F2413A的IOB6是错误侦测输入端，通过对其传回信号的检测，一旦PS21865A出现工作异常（如过压、欠压、过流、过热），驱动硬件会立即禁止PS21865A工作，同时申请中断，请求CPU处理。
    图 4-1中的电阻是上拉电阻，因PS21865A的故障输出信号是集电极开路输出的，同时这个信号是低有效的。

图 4-1系统电路原理图

    由于其它模块属于通常的一些模块，此处不再详述。整个系统的结构还请参考图 3-1。

5 系统软件设计
    整个系统软件分为三部分：
1. 电机的核心驱动程序，这部分主要是产生电机驱动所用的SPWM信号发生器，和一些相关的驱动服务程序；
2. 系统控制程序；
3. 人机接口界面程序；
    该系统核心驱动部分的结构如图 5-1。在这里使用直接数字频率合成的方法去实现SPWM信号的产生，只不过是用PWM发生器替代了DAC。这部分结构（除PWM发生模块）将在PWM的周期中断中用软件实现。这里的调制系数计算和乘法器主要是为实现波形的幅度控制和电源波动补尝用的。

图 5-1 驱动结构

    波形合成的PWM周期中断服务子程序的流程如图 5-2，程序首先判断是否有波形参数更新，以此实现波形参数的一次性同步更新，以防止参数修改不同步对发生信号的影响。而后程序会根据图 5-1的结构流程依次执行，完成后返回。

图 5-2 中断服务子程序流程图

    系统控制部分是整个系统协调的心脏。整个系统都在其协调下有条不紊的工作。这部分主要是根据系统设置和当前系统的状态给出相应的控制信息，以确保系统的可靠运行。
    人机接口界面程序，这部主要是为用户提供一个简单易用的交互接口，以方便用户对变频器的可靠控制。包括变频器的起停、各种运行参数的设置都在这一层面上执行。

6 结语
    通常，在开发变频设备的过程中，需要编写实时性、程序可读性强的代码，这时就需要采用混合编程。而凌阳的m’nSP IDE具有良好的编程环境，它可以很轻松、容易地进行混合编程（在C程序中调用汇编程序，在汇编程序中调用C程序）。
    该系统用了SPMC75F2413A两个定时器和约30个IO口资源，其实SPMC75F2413A的资源相当丰富。因其有专业的变频硬件支持，变频系统开发变得相对简单。同时，SPMC75F2413A在变频控制方面有相当出众的表现。因此，基于SPMC75F2413A的变频系统在通用变频、变频家电等变频领域有广阔的应用前景。

7 参考文献
[1] 雷思孝、李伯成、雷向莉等，单片机原理及实用技术—凌阳16位单片机原理及应用[M] 西安：西安电子科技大学出版社
[2] SUNPLUS，SPMC75F2413A编程指南V1.1[M] 北京：SUNNORTH
[3] Mitsubishi，PS21865A数据手册[M]